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Apuntes Cátedra Geología Aplicada‐ Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de San Juan 1 TEMA 5: ROCAS METAMÓRFICAS Metamorfismo, definición. Factores o agentes del metamorfismo. Tipos de metamorfismo: dinámico, de contacto, regional. Textura las rocas metamórficas. Minerales típicos. Principales rocas metamórficas. METAMORFISMO, definición. El metamorfismo es la transformación de un tipo de roca en otro. Las rocas metamórficas se forman a partir de rocas ígneas, sedimentarias o incluso de otras rocas metamórficas. Por tanto, todas las rocas metamórficas tienen una roca madre: la roca a partir de la cual se formaron. El metamorfismo, que significa “cambio de forma”, es un proceso que provoca cambios en la mineralogía, la textura y, a menudo, la composición química de las rocas. El metamorfismo tiene lugar cuando las rocas se someten a un ambiente físico o químico significativamente diferente al de su formación inicial. Se trata de cambios de temperatura y presión (esfuerzo) y la introducción de fluidos químicamente activos. En respuesta a esas nuevas condiciones, las rocas cambian gradualmente hasta alcanzar un estado de equilibrio con el nuevo ambiente. La mayoría de los cambios metamórficos ocurren bajo las temperaturas y presiones elevadas que existen en la zona que empieza a unos pocos kilómetros por debajo de la superficie terrestre y se extiende hacia el manto superior. El metamorfismo suele progresar de manera incremental, desde cambios ligeros (metamorfismo de grado bajo) a cambios notables (metamorfismo de grado alto). Por ejemplo, en condiciones de metamorfismo de grado bajo, la roca sedimentaria común lutita se convierte en una roca metamórfica más compacta denominada pizarra. Las muestras de mano de ambas rocas son a veces difíciles de distinguir, lo cual ilustra que la transición de sedimentaria a metamórfica suele ser gradual y los cambios pueden ser sutiles. En ambientes más extremos, el metamorfismo produce una transformación tan completa que no puede determinarse la identidad de la roca fuente. En el metamorfismo de grado alto, desaparecen rasgos como los planos de estratificación, los fósiles y las vesículas que puedan haber existido en la roca original. Además, cuando las rocas en zonas profundas (donde las temperaturas son elevadas) son sometidas a presiones dirigidas, se deforman lentamente y se produce una gran variedad de texturas además de estructuras a gran escala como los pliegues. En los ambientes metamórficos más extremos, las temperaturas se aproximan a las de fusión de las rocas. Sin embargo, durante el metamorfismo la roca debe permanecer esencialmente en estado LUTITA PIZARRA Apuntes Cátedra Geología Aplicada‐ Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de San Juan 2 sólido, pues si se produce la fusión completa, entraríamos en el ámbito de la actividad ígnea o inicio del magmatismo. La mayor parte del metamorfismo ocurre en uno de estos tres ambientes: 1. Cuando una masa magmática intruye en las rocas, tiene lugar el metamorfismo de contacto o térmico. Aquí, el cambio es impulsado por un aumento de la temperatura en el interior de la roca huésped que rodea una intrusión ígnea. 2. El metamorfismo hidrotermal implica alteraciones químicas que se producen conforme el agua caliente rica en iones circula a través de las fracturas de las rocas. Este tipo de metamorfismo suele estar asociado con la actividad ígnea que proporciona el calor necesario para provocar las reacciones químicas y hacer circular estos fluidos a través de la roca. 3. Durante la formación de montañas, grandes volúmenes de rocas están sometidas a presiones dirigidas y a las elevadas temperaturas asociadas con deformaciones a gran escala, del denominado metamorfismo regional. El metamorfismo regional, que produce el mayor volumen de rocas metamórficas, tiene lugar en los límites convergentes, donde las placas litosféricas colisionan. Aquí, grandes segmentos de la corteza terrestre se pliegan, se fallan y se metamorfizan enormemente. Además, el enterramiento profundo, junto con el emplazamiento de magmas que se originan en el manto, son los responsables de las temperaturas elevadas que provocan las zonas más intensas de metamorfismo. Las rocas deformadas por metamorfismo regional tienen frecuentemente zonas de metamorfismo de contacto, así como metamorfismo hidrotermal. FACTORES O AGENTES DEL METAMORFISMO Los agentes del metamorfismo son: la presión (esfuerzo), la temperatura (calor) y los fluidos circulantes químicamente activos. Durante el metamorfismo, las rocas suelen estar sometidas simultáneamente a los tres agentes metamórficos. Sin embargo, el grado de metamorfismo y la contribución de cada agente varían mucho de un ambiente a otro. El calor como factor metamórfico El factor más importante del metamorfismo es el calor, porque proporciona la energía que impulsa los cambios químicos que provocan la recristalización de los minerales existentes o la formación de minerales nuevos. Cambios provocados por el calor: El calor afecta a los materiales terrestres, en especial a los que se forman en ambientes de bajas temperaturas, de dos maneras. En primer lugar, fomenta la recristalización de granos minerales individuales, lo cual sucede, en particular, con las arcillas, los sedimentos de grano fino y algunos precipitados químicos. Las temperaturas más elevadas provocan la recristalización cuando los granos más finos tienden a unirse y formar granos de mayor tamaño de la misma mineralogía. Apuntes Cátedra Geología Aplicada‐ Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de San Juan 3 En segundo lugar, el calor puede aumentar la temperatura de una roca hasta el punto en que uno o más de sus minerales ya no son químicamente estables, por lo que se crean nuevos minerales más estables que tienen una composición global más o menos equivalente a la de los minerales originales. En resumen, si tuviéramos que atravesar una región de rocas metamórficas (situada en la superficie) desplazándonos en dirección al metamorfismo creciente, podríamos esperar observar dos cambios atribuibles en gran medida al aumento de la temperatura. El tamaño del grano de las rocas se incrementaría y la mineralogía se transformaría de una manera gradual. Fuentes de calor: El calor que causa el metamorfismo de las rocas procede principalmente de la energía liberada por la desintegración radiactiva y la energía térmica almacenada en el interior de la tierra. Recordemos que las temperaturas aumentan con la profundidad a un ritmo conocido como gradiente geotérmico (geo = Tierra; therm = calor). En la corteza superior, este incremento de la temperatura oscila entre 20°C y 30°C por kilómetro. Por tanto, las rocas que se formaron en la superficie terrestre experimentarán un aumento gradual de la temperatura conforme son transportadas (subducidas) a mayor profundidad. Cuando se entierran a una profundidad de unos 8 kilómetros, donde las temperaturas son de 150°C a 200°C, los minerales arcillosos tienden a inestabilizarse y empiezan a recristalizar en minerales como la clorita y la moscovita, que son estables en este ambiente. Sin embargo, muchos silicatos, en especial los que se encuentran en las rocas ígneas cristalinas, como el cuarzo y el feldespato, permanecen estables a esas temperaturas. Por tanto, las transformaciones metamórficas de estos minerales ocurren, en general, a profundidades mucho mayores. Los ambientes donde las rocas pueden ser transportadas a grandes profundidades y calentarse son los bordes de placa convergentes, donde están siendo subducidos fragmentos de corteza oceánicacargados de sedimentos. Apuntes Cátedra Geología Aplicada‐ Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de San Juan 4 Presión y esfuerzo diferencial La presión, como la temperatura, también aumenta con la profundidad conforme aumenta el grosor de las rocas suprayacentes. Las rocas enterradas están sometidas a una presión de confinamiento, que es análoga a la presión hidrostática, donde las fuerzas se aplican por igual en todas las direcciones. Cuanto más se profundiza en el océano, mayor es la presión de confinamiento. Lo mismo ocurre en el caso de las rocas enterradas. La presión de confinamiento cierra los espacios entre los granos minerales, dando lugar a una roca más compacta con una mayor densidad. Además, a grandes profundidades, la presión de confinamiento puede hacer que los minerales recristalicen en nuevos minerales con una estructura cristalina más compacta. No obstante, la presión de confinamiento no pliega ni deforma las rocas. Además de la presión de confinamiento, las rocas pueden estar sometidas también a presiones dirigidas. Eso sucede, por ejemplo, en los bordes de placa convergentes, donde las placas litosféricas colisionan. Aquí, las fuerzas que deforman la roca son desiguales en distintas direcciones y se las denomina esfuerzo diferencial. A diferencia de la presión de confinamiento, que “comprime” la roca por igual en todas las direcciones, los esfuerzos diferenciales son mayores en una dirección que en las demás. Las rocas sometidas a esfuerzo diferencial se acortan en la dirección de la mayor presión y se alargan en la dirección perpendicular a dicha presión. Como consecuencia, las rocas implicadas suelen plegarse o aplastarse (como cuando se pisa una pelota de goma). A lo largo de los bordes de placa convergentes, el mayor esfuerzo diferencial se ejerce más o menos horizontalmente en la dirección del movimiento de las placas, y se aplica la menor presión en la dirección vertical. Por consiguiente, en estos lugares la corteza se acorta (horizontalmente) y engrosa mucho (verticalmente). En los ambientes superficiales, donde las temperaturas son comparativamente bajas, las rocas son frágiles y tienden a fracturarse cuando son sometidas a esfuerzos diferenciales. La deformación continuada tritura y pulveriza los granos minerales en fragmentos pequeños. Por el contrario, en ambientes de temperaturas elevadas las rocas son dúctiles. Cuando las rocas exhiben un comportamiento dúctil, sus granos minerales tienden a aplanarse y a alargarse cuando son sometidos a un esfuerzo diferencial. Eso explica su capacidad para deformarse fluyendo (más que fracturándose) para generar pliegues complicados. Apuntes Cátedra Geología Aplicada‐ Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de San Juan 5 Fluidos químicamente activos Se cree que los fluidos compuestos principalmente de agua y otros componentes volátiles, como el dióxido de carbono, representan un papel importante en algunos tipos de metamorfismo. Los fluidos que rodean los granos minerales actúan como catalizadores o disolventes y facilitan las reacciones químicas. ¿Cuál es el origen de estos fluidos químicamente activos? El agua es muy abundante en los espacios porosos de la mayoría de las rocas sedimentarias, así como en las fracturas de las rocas ígneas. Además, muchos minerales, como las arcillas, las micas y los anfíboles están hidratados y, por tanto, contienen agua en sus estructuras cristalinas. Las temperaturas elevadas asociadas con un metamorfismo de grado bajo a moderado causan la deshidratación de estos minerales. Una vez expulsada, el agua se mueve a lo largo de las superficies de los granos individuales y está disponible para facilitar el transporte iónico. No obstante, en los ambientes metamórficos de alto grado, en los que las temperaturas son extremas, estos fluidos pueden ser expulsados de las rocas. TIPOS DE METAMORFISMO Hay algunos ambientes en los que se produce metamorfismo. La mayoría se encuentra en las proximidades de los límites de placa y muchos se asocian con la actividad ígnea. Consideraremos los siguientes tipos de metamorfismo: metamorfismo térmico o de contacto metamorfismo regional metamorfismo dinámico Metamorfismo térmico o de contacto El metamorfismo térmico o de contacto se produce como consecuencia del aumento de la temperatura cuando un magma invade una roca caja. En este caso se forma una zona de alteración denominada aureola en la roca que rodea el cuerpo magmático. Las intrusiones pequeñas, como diques delgados y sills, tienen aureolas de tan sólo unos pocos centímetros de grosor. Por el contrario, los cuerpos magmáticos que forman los batolitos masivos pueden crear aureolas metamórficas que se extienden a lo largo de varios kilómetros. Apuntes Cátedra Geología Aplicada‐ Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de San Juan 6 Además del tamaño del cuerpo magmático, la composición mineral de la roca huésped y la disponibilidad de agua afectan en gran medida al tamaño de la aureola. En rocas químicamente activas, como las calizas, la zona de alteración puede tener 10 kilómetros de grosor. Estas grandes aureolas suelen tener distintas zonas metamórficas. Cerca del cuerpo magmático, se pueden formar minerales de temperatura elevada como el granate, mientras que los minerales de grado bajo como la clorita se forman en lugares más alejados. El metamorfismo de contacto se reconoce fácilmente sólo cuando se produce en la superficie o en un ambiente próximo a la superficie, donde el contraste de temperaturas entre el magma y la roca caja es grande. Durante el metamorfismo de contacto los minerales de arcilla se calientan como si estuvieran colocados en un horno, y pueden generar una roca muy dura y de grano fino. Dado que las presiones dirigidas no son un factor fundamental para la formación de estas rocas, generalmente las rocas no tienen foliación. Metamorfismo Regional El metamorfismo regional se desarrolla de forma progresiva, desde las zonas superficiales de la corteza terrestre hasta las más profundas, a medida que aumenta gradualmente la temperatura y la presión a la que están sometidas las rocas. O sea, se produce por un efecto simultáneo de la presión y de la temperatura durante largos períodos de tiempo en grandes áreas de la corteza terrestre con gran actividad tectónica, como los límites de las placas tectónicas. Por ser un proceso gradual la clasificación de este metamorfismo se hace mediante grados (grado muy bajo, bajo, medio y alto), cada uno de ellos se caracterizado por la presencia de determinados minerales (minerales índices). Se distinguen cuatro zonas en función de profundidad son: epizona, mesozona, catazona y ultracatazona. Epizona: es la zona superior o más externa del metamorfismo regional, caracterizado por temperaturas moderadas (menores de 300°C) y una profundidad entre 4.000 y 7.000 metros. En esta zona aparecen: talco, albita, epidota, hematites, titanita, minerales fibrosos y lamelares. Mesozona: zona intermedia comprendida entre 7.000 y 14.000 m de profundidad. La temperatura varía entre 300° y 500°C. En esta zona encontramos: biotita, moscovita, cianita, plagioclasa, epidota. Catazona: zona profunda comprendida entre 14.000 y 20.000 metros, caracterizada por una presión litostática alta y temperaturas muy fuertes, de 500 a 800°C, que provocan la formación de minerales y rocas estables. En esta zona encontramos: ortoclasa, biotita, plagioclasa, piroxenos, olivino, granate, grafito. Ultracatazona:zona de profundidad superior a los 20.000 metros y temperaturas mayores a 800°C. Nota: ver figuras página siguiente Metamorfismo Dinámico o Cataclástico Es aquel que ocurre en zonas poco profundas de la corteza y es esencialmente mecánico. Se produce por la trituración y calentamiento de las rocas a lo largo de los planos de falla, en los que se producen movimientos relativos entre los bloques. Apuntes Cátedra Geología Aplicada‐ Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de San Juan 7 Apuntes Cátedra Geología Aplicada‐ Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de San Juan 8 Cerca de la superficie, las rocas se comportan como un sólido frágil. Por consiguiente, el movimiento a lo largo de una zona de falla fractura y pulveriza las rocas. El resultado es una roca poco consistente denominada brecha de falla que está compuesta por fragmentos de roca rotos y aplastados. Los movimientos de la falla de San Andrés en California han creado una zona de brecha de falla y de otros tipos de roca parecidos de más de 1.000 kilómetros de longitud y con una anchura de hasta 3 kilómetros. Puede ocurrir que la roca se triture mucho y quede de un tamaño muy pequeño, no cementado, parecido a la arcilla denominado harina de falla. La harina de falla se forma por el triturado y la pulverización del material rocoso durante el movimiento de la falla. Las rocas que se forman en estas zonas de deformación dúctil intensa se denominan milonitas (mylo = molino; ite = piedra). Gran parte de esa intensa deformación asociada con las zonas de falla se produce a grandes profundidades y, por tanto, a temperaturas elevadas. En ese ambiente, los minerales preexistentes se deforman dúctilmente. Conforme los grandes bloques de roca se mueven en direcciones Apuntes Cátedra Geología Aplicada‐ Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de San Juan 9 opuestas, los minerales de la zona de falla tienden a formar granos alargados que dan a la roca un aspecto foliado o lineado. En este tipo de metamorfismo el factor dominante es la presión dirigida. TEXTURA LAS ROCAS METAMÓRFICAS Recordemos que el término textura se utiliza para describir el tamaño, la forma y la distribución de las partículas que constituyen una roca. La mayoría de las rocas ígneas y muchas rocas sedimentarias están compuestas de granos minerales que tienen una orientación aleatoria y, por tanto, parecen iguales cuando se observan desde cualquier dirección. Por el contrario, las rocas metamórficas deformadas que contienen minerales con hábito planar (micas) y/o minerales alargados (anfíboles) en general muestran alguna clase de orientación preferente en la que los granos minerales presentan un alineamiento paralelo a subparalelo. Las rocas que contienen minerales alargados orientados en paralelo unos con respecto a los otros tendrán un aspecto distinto al observarse lateral o frontalmente. Se dice que una roca que muestra una orientación preferente de sus minerales posee foliación. Foliación: se refiere a cualquier disposición planar (o casi planar) de los granos minerales o los rasgos estructurales del interior de una roca. En función si las rocas metamórficas poseen o no foliación, se clasifica sus texturas en: A. Textura anisótropa: son todas aquellas rocas que presenten algún tipo de foliación. Existen varios tipos de foliación, dependiendo del grado de metamorfismo y de la mineralogía de la roca original. Consideraremos tres de ellos: pizarrosidad, esquistosidad y bandeado gnéisico. Pizarrosidad: Se refiere a las superficies planares muy juntas a lo largo de las cuales las rocas se separan en capas delgadas y tabulares cuando se las golpea con un martillo. La pizarrosidad aparece en varias rocas metamórficas, pero se observa mejor en las pizarras. Este tipo de estructura denota metamorfismo de bajo grado. Dado que en general la pizarra se forma durante el metamorfismo de grado bajo de la lutita, suelen conservarse restos de los planos de estratificación sedimentarios originales. No obstante, como se muestra en la figura anterior, la Apuntes Cátedra Geología Aplicada‐ Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de San Juan 10 orientación de la pizarrosidad suele desarrollarse en un ángulo oblicuo al de la estratificación sedimentaria original. Los planos de separación son lisos y ásperos, no distinguiéndose minerales a simple vista. Una textura que se aproxima mucho a la pizarrosa es la textura filítica, que se distingue de la anterior porque sus planos de foliación no son tan lisos, y son de aspecto terso y brillante. Algunos minerales como las micas comienzan a distinguirse. Esquistosidad Bajo regímenes de presión y temperatura más alto que el anterior, los pequeños granos de mica y clorita de las pizarras empiezan a crecer mucho. Cuando estos minerales planares crecen lo bastante como para poder observarse a simple vista y exhiben una estructura planar o laminar, se dice que la roca muestra un tipo de foliación llamada esquistosidad. Las rocas con esta textura se denominan esquistos. Además de los minerales planares, el esquisto suele contener partículas deformadas de cuarzo y feldespato que aparecen como granos planos o en forma de lente escondidos entre los granos de mica. Los granos minerales pueden distinguirse a simple vista (en contra de las filitas y pizarras). Los componentes más abundantes son moscovitas, biotita, clorita, granates, etc. Bandeado gnéisico Durante el metamorfismo de grado alto, las migraciones iónicas pueden provocar la segregación de los minerales, como consecuencia se producen bandas de color oscuro bien foliadas con otras claras (no tan foliadas) de grano grueso. Las rocas metamórficas con este tipo de texturas se denominan gneises. Aunque son foliados, los gneises no se separarán en planos con tanta facilidad como las pizarras y algunos esquistos. Apuntes Cátedra Geología Aplicada‐ Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de San Juan 11 B. Textura isótropa o no foliada: conceden a la roca propiedades o comportamientos iguales, en todas direcciones. También se las denomina no direccionales. Se desarrollan en general en ambientes donde la deformación es mínima y donde las rocas de las cuales provienen (rocas madres) están compuestas por minerales que presentan cristales equidimensionales, como el cuarzo o la calcita. Por ejemplo, cuando una caliza de grano fino (formada por calcita) se metamorfiza por la intrusión de una masa magmática caliente, los pequeños granos de calcita recristalizan y forman cristales entrelazados más grandes. La roca resultante, el mármol, presenta unos granos grandes y equidimensionales, orientados aleatoriamente, parecidos a los de las rocas ígneas de grano grueso. MINERALES TÍPICOS Las rocas metamórficas presentan minerales comunes a rocas ígneas como cuarzo, feldespatos, micas, anfiboles, piroxenos, etc.; y otros comunes a rocas sedimentarias como, por ejemplo: calcita, dolomita, sílice, etc. Además de los mencionados presentan minerales que son propios de este tipo de rocas, de los cuales entre los más comunes se distinguen: Cloritas: silicatos hidratados de Al, Mg y Fe. Se presentan en laminillas de color verde, fácilmente rayables con la uña. Epidoto: silicato de Al y Ca con cantidades semejantes de Fe y Mg Se presentan en cristales prismáticos de colores verde, castaño o rojos. Su dureza está entre 6 y 7. Grafito: carbono con impurezas. Color negro a gris, se raya con la uña. Granates: Se presentan generalmente bien cristalizados, en individuos prismáticos y sus colores son variables segúnla especie: rojos, negros, verdes, caramelo, etc. Talco: silicato hidratado de Mg. En agregados hojosos, fibroso o laminar. Color verde, raya blanca. Dureza 1. Serpentina: silicato hidratado de Mg. De color verde o amarillento. Generalmente en cristales fibrosos. Amianto y asbesto: los términos amianto y asbesto suelen utilizarse como sinónimos, aunque en realidad aluden a dos minerales diferentes. El amianto un silicato de hierro, alúmina y calcio cuyas fibras son flexibles; el asbesto, en cambio, presenta fibras de mayor dureza y rigidez, aun cuando la composición y las características del mineral son similares a las que presenta el amianto. Apuntes Cátedra Geología Aplicada‐ Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de San Juan 12 PRINCIPALES ROCAS METAMÓRFICAS Pizarras: roca con textura foliada, bien desarrollada, con planos de separación lisos y ásperos. Los cristales no pueden ser observados a simple vistan ni con la ayuda de una lupa. Corresponde a una roca de un grado de metamorfismo bajo, principalmente del metamorfismo de lutitas. Filitas: roca foliada, con planos no' tan lisos, en Jos cuales no se observan minerales a ojo desnudo, pero si con la lupa. Presentan una textura más cristalina que las pizarras, que se distingue por presentar un brillo satinado como resultado del crecimiento de cristales de micas por metamorfismo de arcillas. Esquistos: presentan textura esquistosa y sus colores son variables. El adjetivo que reciben depende del mineral o los minerales que presenten y se los coloca luego del término esquisto en orden decreciente de abundancia. Por ejemplo: esquisto clorítico micáceo granatífero. Gneis: presentan textura gnéisica (bandeada), distinguiéndose por una alternancia de bandas claras y oscuras. Las mismas en algunos casos se presentan en forma discontinua, donde los minerales félsicos forman ojos alineados alrededor de los cuales se acomodan las micas. Este caso recibe el nombre de "gneis a ojos". Migmatitas: Roca heterogénea a escala meso y macroscópica, compuesta por una fracción ígnea (leucosoma), generalmente de composición granítica a granodiorítica, y otra metamórfica (mesosoma o melanosoma), de aspecto gnéisico y con paragénesis de alto grado. Son rocas comunes en los terrenos metamórficos de grado medio a alto (característicos de la corteza continental media e inferior). Mármoles: rocas con textura granoblástica, que presentan a menudo bandas, producto de impurezas. Sus colores son variables y su constituyente principal es calcita y/o dolomita. Provienen del metamorfismo de calizas. Metacuarcita: rocas compactas, con textura granoblástica, constituidas por granos de cuarzo recristalizado. El lustre es vítreo como el del cuarzo y el grano es casi imperceptible con la lupa. Apuntes Cátedra Geología Aplicada‐ Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de San Juan 13 BIBLIOGRAFÍA Apuntes de la Cátedra Tarbuck, E. J. y Lutgens, F.K (2005) ‐ “Ciencias de la Tierra: Una introducción a la geología física”. Pearson Educación S. A., Madrid.
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